[논문 리뷰] Collider phenomenology of the E6SSM

Peter Athron, Jonathan P. Hall외 6명|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 20인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 SU(3)C×SU(2)L×U(1)Y×U(1)N 게이지 군을 기반으로 하는 초대칭 표준모형의 확장인 E6SSM의 충돌기 현상학을 조사한다. 이 모형은 단일장이 기대값을 갖는 방식으로 μ-문제를 해결한다. 주요 서명은 이국적인 쿼크(이중쿼크/르프토퀴어크)와 관성 힉스노-유사 중성보이며, 가장 가벼운 중성보가 질량이 MZ/2에 가까울 경우 타당한 암흑물질 후보가 된다. 또한 표준모형 유사 힉스 보손이 주로 투명하게 붕괴되어 LHC에서 특징적인 신호를 제공한다.

ABSTRACT

We consider collider signatures of the exceptional supersymmetric (SUSY) standard model (E6SSM). This E6 inspired SUSY model is based on the SM gauge group together with an extra U(1) gauge symmetry under which right--handed neutrinos have zero charge. To ensure anomaly cancellation and gauge coupling unification the low energy matter content of the E6SSM involve extra exotic matter beyond the MSSM. We discuss the collider signatures associated with the production of new particles predicted by the E6SSM and consider the implications of this model for dark matter and Higgs phenomenology. Since exotic quarks in the E6SSM can be either diquarks or leptoquarks they may provide spectacular new physics signals at the LHC.

연구 동기 및 목표

• E6SSM의 충돌기 현상학을 탐색한다. 이는 μ-문제를 단일장 기대값을 통해 해결하는 E6 유도 초대칭 모형이다.
• 이색 쿼크(이중쿼크/르프토퀴어크)에서 기인하는 고유한 서명을 식별한다. 이들은 LHC에서 놀라운 새로운 물리 신호를 생성할 수 있다.
• 가장 가벼운 관성 중성보가 암흑물질 후보로 타당한지 분석한다. 이 경우 Z-보손 공진을 통한 정확한 잔류 밀도 확보를 위해 질량이 MZ/2에 가까워야 한다.
• 특히 표준모형 유사 힉스 보손이 관성 중성보로 주로 투명하게 붕괴하는 데 따른 힉스 현상학의 영향을 연구한다.
• E6의 전체 27 및 27′ 표현을 포함함으로써 게이지 커플링 통합과 이상치 제거를 확보한다.

제안 방법

• 모형은 SU(3)C×SU(2)L×U(1)Y×U(1)N 게이지 군을 기반으로 하며, 오른쪽 뉴트리노가 단일장이 되도록 U(1)N를 선택함으로써 이방성 제거와 μ-문제 해결을 보장한다.
• 입자 구성은 E6의 세 개의 27i 다중표현을 포함하며, SU(5)×U(1)N 표현으로 분해되어 비정상 쿼크(D̃i, D̃i̅)를 도입하며, B-L 전하가 ±2/3이고 힉스 이중체 성분을 가진다.
• 가장 가벼운 중성보(χ̃0₁)는 주로 관성 단일시노이며, MZ/2에 가까워지지 않는 한 Z 및 힉스 보손과의 결합이 억제된다. 이는 정확한 암흑물질 잔류 밀도 확보를 위한 공진 붕괴를 가능하게 한다.
• 표준모형 유사 힉스 보손 h₁은 주로 Higgsino 성분을 통해 χ̃0₁χ̃0₁로 붕괴되며, 이로 인해 SM 입자로의 붕괴 분포율은 2–4%로 감소한다.
• 게이지 커플링 통합을 유지하기 위해 27′ 및 Ḃ27′에서 유래한 추가적인 SU(2)W 이중체 L4 및 L̄4를 포함하며, 이들의 성분은 관성 힉스노 상태를 형성한다.
• 현상학적 제약은 잔류 밀도, LHC 탐색 및 힉스 신호 강도로부터 유도되며, 주요 서명은 이국적 쿼크 붕괴에서 발생하는 부족 에너지, 렙톤 및 제트를 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 E6SSM은 이중쿼크 또는 르프토퀴어크일 수 있는 이색 쿼크를 통해 LHC에서 관측 가능한 서명을 생성할 수 있는가?
• RQ2 E6SSM에서 가장 가벼운 관성 중성보가 관측된 암흑물질 잔류 밀도를 설명할 수 있는 조건은 무엇인가?
• RQ3 표준모형 유사 힉스 보손이 관성 중성보 상태와의 결합이 붕괴 분포율과 LHC에서의 검출 가능성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 E6SSM는 게이지 커플링 통합을 달성하면서도 이방성 제거와 μ-문제 해결을 유지할 수 있는가?
• RQ5 이 모형은 경량 오른쪽 뉴트리노를 가진 열적 르프토토제네시스를 성공적으로 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 가장 가벼운 관성 중성보(χ̃0₁)는 질량이 MZ/2 ≈ 46 GeV에 가까울 경우에만 관측된 암흑물질 잔류 밀도를 설명할 수 있으며, 이는 Z-보손을 통한 공진 붕괴를 가능하게 한다.
• 표준모형 유사 힉스 보손 h₁은 주로 투명한 최종 상태(χ̃0₁χ̃0₁)로 붕괴되며, 관성 힉스노 성분과의 강한 결합으로 인해 SM 입자로의 붕괴 분포율은 2–4%로 감소한다.
• E6SSM의 이색 쿼크, 예를 들어 D̃i 및 D̃i̅는 LHC에서 쌍생산되어 제트, 렙톤 및 부족 에너지를 포함한 최종 상태로 붕괴되며, 놀라운 새로운 물리 신호를 제공한다.
• 경량 관성 카르긴오 및 중성보(질량 < 200 GeV)의 존재는 가장 가벼운 중성보의 생성 및 붕괴 확률을 증가시켜 렙톤과 부족 에너지를 포함한 최종 상태를 통해 검출 가능하게 한다.
• χ̃0₂와 χ̃0₁ 사이의 질량 차이가 10 GeV를 초과할 경우, χ̃0₂의 일부 붕괴 생성물(예: 부드러운 μ⁺μ⁻ 쌍)은 관측 가능할 수 있으며, 이는 모형의 잠재적 서명이 된다.
• 모형은 α₃(MZ)의 어떤 현상학적으로 타당한 값에서도 게이지 커플링 통합을 성공적으로 달성하며, 전체 27 및 27′ 표현의 포함을 통해 이방성 제거가 유지된다.